近日，微電子所健康電子中心黃成軍研究員、趙陽(yáng)副研究員團(tuán)隊(duì)在單細(xì)胞電學(xué)特性流式分析方法及高通量實(shí)時(shí)分析儀器研究方面取得重要進(jìn)展。 

　　單細(xì)胞電學(xué)特性生物傳感與分析技術(shù)為單細(xì)胞生物物理學(xué)研究提供了一個(gè)新維度。該技術(shù)已被證明在全血分析、腫瘤細(xì)胞分型和免疫細(xì)胞狀態(tài)評(píng)估方面具有重要的應(yīng)用潛力。但現(xiàn)有的電學(xué)檢測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)高通量實(shí)時(shí)性分析，嚴(yán)重限制了需要大量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的單細(xì)胞電學(xué)特性研究的開展。 

　　面對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種快速并行物理擬合求解器，僅需0.62 毫秒即可在線求解出單個(gè)細(xì)胞膜比電容和細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率。與傳統(tǒng)求解器相比，在不損失準(zhǔn)確度的前提下，速度提升了27000倍，且不需要任何數(shù)據(jù)預(yù)采集和預(yù)訓(xùn)練過(guò)程，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了基于物理模型信息的實(shí)時(shí)阻抗流式細(xì)胞分析儀（piRT-IFC）（圖1）。該技術(shù)能在50分鐘內(nèi)實(shí)時(shí)表征高達(dá)100902個(gè)單細(xì)胞，具有高穩(wěn)定性、高通量、實(shí)時(shí)化和全流程自動(dòng)化等特點(diǎn)。作為示范應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)對(duì)藥物處理后HL-60中性粒細(xì)胞脫粒現(xiàn)象這一典型的快速變化的生物過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)表征分析。與普遍采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助加速方法對(duì)比研究表明，piRT-IFC具有速度快、準(zhǔn)確度高和泛化能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，具備廣泛的應(yīng)用潛力。 

　　近期，基于本研究成果的論文以“piRT-IFC: Physics-informed real-time impedance flow cytometry for the characterization of cellular intrinsic electrical properties”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Microsystem and Nanoengineering上，微電子所博士研究生欒曉鳳為該文章的第一作者，微電子所黃成軍研究員、趙陽(yáng)副研究員和中科院計(jì)算所支天高級(jí)工程師為該文章的共同通訊作者。（參見：https://www.nature.com/articles/s41378-023-00545-9） 

　　近年來(lái)，該課題組面對(duì)單細(xì)胞物理特性檢測(cè)存在敏感機(jī)理不明和技術(shù)實(shí)現(xiàn)困難等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，開創(chuàng)性提出了基于微流控技術(shù)的“交叉壓縮通道”敏感新原理和單細(xì)胞電學(xué)模型，建立了基于微流控芯片的單細(xì)胞電學(xué)特性高通量定量檢測(cè)方法，檢測(cè)參數(shù)包括細(xì)胞膜比電容和胞漿電導(dǎo)率，通量比膜片鉗等常規(guī)方法高10000倍，并進(jìn)一步成功研發(fā)實(shí)時(shí)高通量單細(xì)胞電學(xué)特性流式分析儀（圖2）。儀器入選中科院自主研制科學(xué)儀器名錄，與首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院、首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京胸科醫(yī)院、中科院計(jì)算所等單位展開合作研究，成功用于腦卒中動(dòng)物模型、癌癥病人樣本、藥物模型等領(lǐng)域的多種細(xì)胞的分析，為腫瘤/腦卒中等精準(zhǔn)診斷、藥物篩選等提供了有力工具，成功發(fā)現(xiàn)新型標(biāo)志物，驗(yàn)證了相關(guān)藥物候選分子的作用、獲得授權(quán)專利。課題組的相關(guān)成果近年分別在傳感器領(lǐng)域知名的國(guó)際期刊Microsystem and Nanoengineering（2023年2篇）、Sensors and Actuators B: chemical（2022年）、Aging and Disease（2023年）、Biosensors and Bioelectronics（2018年），Biodesign and Manufacturing（2022年）等發(fā)表。并且，相關(guān)技術(shù)研究成果獲得2020年中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。 

　　上述研究工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市、中科院的相關(guān)項(xiàng)目支持。

圖1 實(shí)時(shí)阻抗流式細(xì)胞分析儀(piRT-IFC)原理樣機(jī)、核心微流控芯片、設(shè)備交互界面、典型結(jié)果和自動(dòng)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理流程 

圖2. 基于微流控芯片技術(shù)的單細(xì)胞電學(xué)特性活體單細(xì)胞分析儀（左）及核心微流控芯片（右）